DE10356703A1 - Method of burning fossil fuels in steam generator using oxy-fuel process, by using waste gas to preheat oxygen used in combustion - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von fossilen Brennstoffen in einem Dampferzeuger nach dem Oxyfuel-Prozess.The The invention relates to a method of burning fossil fuels in a steam generator after the oxyfuel process.
Bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern zur Erzeugung von elektrischer Energie ist das Rauchgas mit vielen Schadstoffen belastet. Deshalb werden dem Kraftwerksprozess u. a. Rauchgasreinigungsanlagen nachgeschaltet, um den Schadstoffanteil im Rauchgas zu vermindern. Dies zählt zu den Sekundärmaßnahmen, welche den gesamten Energieumwandlungsprozess umweltfreundlicher gestalten.at the combustion of fossil fuels for the production of electrical energy Energy is the flue gas loaded with many pollutants. That's why the power plant process u. a. Downstream of flue gas purification systems, to reduce the pollutant content in the flue gas. This is one of the secondary measures which makes the whole energy conversion process more environmentally friendly shape.
Primär können jedoch bereits Maßnahmen ergriffen werden, um die Bildung der entsprechenden Schadstoffe beim Verbrennungsprozess weitgehend zu minimieren.However, primary can already taken action be to the formation of the appropriate pollutants in the combustion process largely to minimize.
In den letzten Jahren ist der zivilisationsbedingte Ausstoß von CO2 als ein mutmaßlicher Hauptverursacher des klimaverändernden Treibhauseffekts immer stärker in die öffentliche Kritik geraten.In recent years, the civilization-related emissions of CO 2 as a presumed major cause of the climate-changing greenhouse effect has increasingly come under public scrutiny.
Mittlerweile sehen sich durch das Kyoto-Protokoll auch Hersteller und Betreiber von fossil befeuerten Energieerzeugungsanlagen in die Pflicht genommen, Konzepte zur Reduzierung der spezifischen CO2-Emission bereitzuhalten. Beispielsweise stammt der größte Teil des in Deutschland erzeugten CO2 aus fossil befeuerten Kraftwerken und industriellen Anlagen.In the meantime, the Kyoto Protocol has also made manufacturers and operators of fossil-fueled power generation plants responsible for providing concepts for reducing specific CO 2 emissions. For example, most of the CO 2 produced in Germany comes from fossil-fueled power plants and industrial plants.
Eine weitere Erhöhung der Umwandlungswirkungsgrade, also eine Verringerung des Brennstoffeinsatzes bei gleichbleibend hoher Erzeugerleistung, kann angesichts des steigenden Energiebedarfs jedoch bestenfalls eine Stagnation der jährlich emittierten CO2-Menge bewirken. Für eine deutliche Reduzierung unter Festhalten an fossilen Energieträgern kommt daher nur eine Abscheidung und klimaunwirksame Deponierung des erzeugten CO2 in Frage.However, a further increase in the conversion efficiencies, ie a reduction in fuel input while maintaining a high output, can at best cause a stagnation of the amount of CO 2 emitted annually in view of the increasing energy demand. For a significant reduction under adherence to fossil fuels, therefore, only a separation and climate-effective landfilling of the generated CO 2 comes into question.
Unter der Voraussetzung, dass sich die zurzeit untersuchten Verfahren für Transport und Speicherung von CO2 als tauglich für den großtechnischen Einsatz erweisen, stellt der sogenannte Oxyfuel-Prozess ein vielversprechendes Kraftwerkskonzept dar, das anstelle der Emission von Rauchgasen einen CO2-Strom von hoher Reinheit bereitstellen kann.Assuming that the currently investigated methods for transport and storage of CO 2 are suitable for large-scale use, the so-called oxyfuel process represents a promising power plant concept, which instead of the emission of flue gases, a CO 2 stream of high purity can provide.
Bei einem Wärmekraftwerk nach dem Oxyfuel-Prozess erfolgt die Verbrennung nicht mit Hilfe von Verbrennungsluft, sondern durch den vorher aus der Luft abgeschiedenen Sauerstoffstrom. Da nur mit Sauerstoff verbrannt wird, tritt auch in Summe weniger Rauchgas auf.at a thermal power plant After the oxyfuel process, the combustion does not take place with the help of of combustion air, but by the previously separated from the air Oxygen stream. Since only with oxygen is burned, also occurs in total less flue gas.
Die Wärme dieses Rauchgases auf der Seite der niederen Temperaturen, d. h. nach Passieren der Dampferzeugerdruckteilheizflächen, kann prinzipiell dadurch ausgenutzt werden, dass man das Speisewasser mit dem Rauchgas vorwärmt (Rauchgas beheizter Speisewasservorwärmer). Diese Schaltung hat jedoch gewisse thermodynamische Nachteile.The Heat this Flue gas on the low temperature side, d. H. after passing the steam generator pressure part heating surfaces, can in principle be exploited by the feed water preheated with the flue gas (Flue gas heated feedwater pre-heater). This circuit has however, certain thermodynamic disadvantages.
Aufgrund der Nutzung der Wärme des Rauchgases zur Speisewasservorwärmung muss zwar weniger Anzapfdampf aus der Turbine für die Vorwärmung des Speisewassers aufgewendet werden und dieser eingesparte Anzapfdampf steht für eine Arbeitsleistung in der Turbine und damit einem höheren Energiegewinn zur Verfügung. Dies ist aber insofern thermodynamisch nicht optimal, als es sich beim Anzapfdampf um Dampf niederen Druckes handelt.by virtue of the use of heat of the flue gas for feedwater preheating must be less tap from the turbine for the preheating of the feed water are spent and this saved tapping steam stands for one Work performance in the turbine and thus a higher energy gain available. This But thermodynamically is not optimal insofar as it is in the Tapping steam is at low pressure steam.
Ein weiteres Problem beim Oxyfuel-Prozess sind die hohen adiabaten Verbrennungstemperaturen.One Another problem with the oxyfuel process is the high adiabatic combustion temperatures.
So
ist aus der
Es ist auch bekannt, dass diesem Umstand entgegengewirkt werden kann. Dazu wird gekühltes Rauchgas der zirkulierenden Wirbelschicht wieder zugeführt, um so eine Verringerung der Prozesstemperatur zu erreichen.It It is also known that this circumstance can be counteracted. This is cooled flue gas fed back to the circulating fluidized bed, so as to reduce to reach the process temperature.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den thermodynamischen Nachteil der unzureichenden Wärmeausnutzung des Rauchgases bei Vorwärmung des Speisewassers zu vermeiden.Of the Invention is based on the object, the thermodynamic disadvantage the insufficient heat utilization the flue gas during preheating of the feedwater.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der zur Verbrennung der fossilen Brennstoffe eingesetzte Sauerstoff durch Abkühlen des Rauchgases vorgewärmt wird.The The object is achieved in that the oxygen used to burn fossil fuels by cooling the flue gas preheated becomes.
Vorteilhafterweise wird dazu die Menge des rezirkulierenden Rauchgases erhöht, um durch den zusätzlichen Wärmeeintrag in den Dampferzeuger die Temperaturen weiterhin beherrschen zu können. Als Wärmetauscher für die Sauerstoffvorwärmung sollten gasdichte Wärmetauscher (z. B. Platten- oder Röhrenwärmetauscher) eingesetzt werden.Advantageously, the amount of recirculating flue gas is increased to the additional heat input into the steam generator the temperatures continue to dominate. Gas-tight heat exchangers (eg plate or tube heat exchangers) should be used as heat exchangers for oxygen preheating.
Kühlt man das Rauchgas anstatt mit einem mit speisewasserbeheizten Vorwärmer dadurch ab, dass man den Sauerstoffstrom vorwärmt, so erzielt man durch die somit höhere in den Kessel eingebrachte Wärme einen höheren Wärmestrom im Dampferzeuger und kann somit einen erhöhten Frischdampfstrom erzeugen, welcher im Vergleich zu den oben genannten Entnahmedampfströmen höhere Dampfparameter und somit ein höheres Enthalpiegefälle in der Turbine hat. Somit erzielt man mit solch einem Vorwärmer prinzipiell einen höheren thermodynamischen Wirkungsgrad des Prozesses.You cool the flue gas instead of a feedwater-heated preheater thereby From that one preheats the oxygen flow, one achieves by the thus higher heat introduced into the boiler a higher one heat flow in the steam generator and can thus generate an increased live steam flow, which compared to the above-mentioned extraction steam flows higher steam parameters and thus a higher one enthalpy in the turbine. Thus one achieves with such a preheater in principle a higher one thermodynamic efficiency of the process.
Wie weiter oben dargestellt, entstehen beim Oxyfuel-Prozess ohne sonstige Eingriffe sehr hohe Temperaturen und man muss entsprechend viel Rauchgas rezirkulieren, um die Temperatur wieder auf verträgliche Werte (beispielsweise hinsichtlich Verschmutzung und Verschlackung der Dampferzeugerheizflächen) zu kommen. Eine zusätzliche Vorwärmung des Sauerstoffs, wie hier erfindungsgemäß vorgeschlagen, erhöht die Verbrennungstemperatur noch mehr und erscheint zunächst widersinnig.As shown above, arise in the oxyfuel process without other Interventions very high temperatures and you have a corresponding amount of flue gas recirculate to bring the temperature back to tolerable levels (For example, with regard to pollution and slagging of steam generator heating) get. An additional preheating Of the oxygen, as proposed here according to the invention, the combustion temperature is still increased more and appears first absurd.
Wie detaillierte Untersuchungen zeigen, führt die O2-Vorwärmung zu einer Verbesserung des Kraftwerkswirkungsgrades von ca. 0,5 %, auch wenn dadurch zunächst temperatursenkende Maßnahmen (erhöhte Rezirkulation) erforderlich wurden.As detailed studies show, the O 2 preheating leads to an improvement of the power plant efficiency of about 0.5%, even if this initially required temperature-reducing measures (increased recirculation).
Es ist aber möglich, die mit zu einer zusätzlichen O2-Vorwärmung verbundene Erhöhung der Rauchgastemperatur durch relativ geringe Anhebung der obengenannten Rezirkulation des Rauchgases wieder auszugleichen, so dass insgesamt gesehen kein besonderer Nachteil entsteht und die Vorteile der O2-Vorwärmung jedenfalls überwiegen (eine Erhöhung der Rezirkulation bedeutet ja nur eine geringfügige Erhöhung des Eigenbedarfs, ist aber vom thermodynamischen Kreisprozess her an sich kein wesentlicher Nachteil).However, it is possible to compensate for the increase in the flue gas temperature associated with an additional O 2 preheating by a relatively small increase in the abovementioned recirculation of the flue gas, so that overall no special disadvantage arises and the advantages of the O 2 preheating predominate (a Increasing the recirculation means only a slight increase of the own consumption, but is not a significant disadvantage in itself from the thermodynamic cycle process).
Die O2-Vorwärmung wird so realisiert, dass der aus der Luftzerlegungsanlage kommende Sauerstoff durch das vorhandene Rauchgas vorgewärmt wird.The O 2 preheating is realized in such a way that the oxygen coming from the air separation plant is preheated by the existing flue gas.
Die Schaltung kann auch mehrstufig erfolgen, um zuerst das O2 in einer Stufe mit niedriger Rauchgastemperatur und dann in einer Stufe mit höherer Rauchgastemperatur aufzuwärmen und somit zu verhindern, dass auf der kalten Seite des O2-Vorwärmers zu hohe Temperaturdifferenzen auftreten, was einen Exergieverlust bedeuten würde. Der O2-Vorwärmer kann als Regenerativvorwärmer ausgeführt sein.The circuit can also be multi-stage to first heat the O 2 in a low flue gas temperature stage and then in a higher flue gas temperature stage, thus preventing excessive temperature differences on the cold side of the O 2 pre-heater, resulting in exergy loss would mean. The O 2 preheater can be designed as a regenerative preheater.
Nachdem es hier wahrscheinlich auf die Notwendigkeit möglichst geringer O2-Leckagen (von der O2-Seite in das Rauchgas) ankommt, sind entweder die Leckagen gering zu halten oder die Druckverhältnisse so zu gestalten, dass die Leckage in Richtung O2 läuft, d. h. Leckage von CO2 von der Rauchgasseite in die O2-Seite oder aber dass ein entsprechend rauchgasdichter O2-Vorwärmer (z. B. ein Röhrenvorwärmer oder Plattenvorwärmer) verwendet wird.Since this is probably due to the need for the lowest possible O 2 -Leckagen (from the O 2 side in the flue gas), either the leaks are to be kept low or to make the pressure conditions so that the leakage in the direction of O 2 runs, ie Leakage of CO 2 from the flue gas side to the O 2 side or that a corresponding smoke gas-tight O 2 preheater (eg a tube preheater or plate preheater) is used.
Eine weitere (zusätzliche) Möglichkeit ist, den Sauerstoff in einer ersten Stufe oder in einer der ersten Stufen der Sauerstoffvorwärmung durch Kühlung der Kompressoren der Luftzerlegungsanlage oder der CO2-Kompression bzw. mit Anzapfdampf aus der Turbine vorzuwärmen.Another (additional) possibility is to pre-heat the oxygen in a first stage or in one of the first stages of the oxygen preheating by cooling the air separation plant compressors or the CO 2 compression or with tapping steam from the turbine.
An einem Ausführungsbeispiel soll nachfolgend die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigt die Figur eine schematische Darstellung eines vereinfachten Wärmeschaltbildes eines Dampfkraftwerkes nach dem Oxyfuel-Prozess.At an embodiment the invention will be described in more detail below explained become. The figure shows a schematic representation of a simplified Heat diagram a steam power plant after the oxyfuel process.
Für ein Dampfkraftwerk
auf Braunkohlenbasis mit einer Leistung von ca. 900 MW werden für die Verbrennung
im Dampferzeuger
Das
in der
Im
Druck variable Anzapfungen speisen jeweils eine Hochdruckvorwärmsäule
Der
die Turbine verlassende Abdampf wird im Kondensator
Der
Kondensatvorwärmer
Dem
Dampferzeuger
Die
Rezirkulationsrate des Rauchgases
Weiterhin ist es auch möglich, die Vorteile der kalten und heißgehenden Rezirkulation von Rauchgas miteinander zu verbinden und einen Rezirkulationsvorwärmer einzusetzen (Rauchgas/Rauchgas).Farther it is also possible the benefits of cold and hot Recirculation of flue gas to connect together and use a recirculation preheater (Flue gas / flue gas).
Der
Sauerstoffvorwärmer
Bei
Einhaltung einer minimalen Grädigkeit von
40 K im Sauerstoffvorwärmer
Nach
Durchlaufen des Rauchgases
Der Gesamtwirkungsgrad der Energieerzeugungsanlage nach dem Oxyfuel-Prozess steigt mit der erfindungsgemäßen Lösung um ca. 0,5 %.Of the Overall efficiency of the power generation plant after the oxyfuel process increases with the inventive solution about 0.5%.
Ein entscheidender Grund hierfür ist die Verringerung des Anteils der Brennstoffwärmeleistung an der primären Kesselwärmeleistung durch die Sauerstoffvorwärmung (Primäre Kesselwärmeleistung = Brennstoffwärmeleistung + Wärmegehalt der Brennergase).One decisive reason for this is the reduction in the proportion of the fuel heat output to the primary boiler heat output by the oxygen preheating (Primary Boiler output = Fuel heat output + Heat content the burner gas).
Diese Anteilsverschiebung ist auch der Grund dafür, dass für die Variante mit Sauerstoffvorwärmung die primäre Kesselwärmeleistung zwar höher, die Brennstoffwärmeleistung dagegen geringer ist als bei einer Schaltung ohne Sauerstoffvorwärmung. Exergetisch ausgedrückt kann die zur Verfügung stehende Rauchgasenergie am gewinnbringendsten auf dem hohen Temperaturniveau der Verbrennung eingesetzt werden, wogegen bei Nutzung zur Speisewasservorwärmung lediglich exergetisch geringwertiger Anzapfdampf eingespart wird.These Partial shift is also the reason that for the variant with oxygen preheating the primary Boiler output while higher, the fuel heat output on the other hand is lower than in a circuit without oxygen preheating. exergetic expressed can the available standing flue gas energy most profitable at the high temperature level used for combustion, whereas when used for feedwater pre-heating only exergetisch low-quality bleed steam is saved.
Auch die geänderte Konzeption des Wasser-Dampf-Kreislaufs bei Nutzung des Sauerstoffvorwärmers hat günstige Auswirkungen auf den Nettowirkungsgrad der Anlage. Ein wesentliches Merkmal der Schaltung mit Sauerstoffvorwärmer ist der um ca. 20 MWth geringere Wärmeverlust über den Kühlturm.The changed concept of the water-steam cycle when using the oxygen preheater has favorable effects on the net efficiency of the plant. An essential feature of the circuit with oxygen preheater is the about 20 MW th lower heat loss through the cooling tower.
Dies wird – trotz der höheren Frischdampfproduktion – erklärlich durch den wesentlich verringerten Abdampfmassenstrom aus der Niederdruckturbine zum Kondensator. Die Differenz zwischen Frischdampf- und Abdampfstrom resultiert aus dem gestiegenen Bedarf an Anzapfdampf zur Speisewasservorwärmung, da der rauchgasbeheizte Kondensatvorwärmer durch Hinzuschalten des Sauerstoffvorwärmers eine geringere Aufwärmspanne erzielt.This will - despite the higher one Live steam production - explainable by the significantly reduced Abdampfmassenstrom from the low-pressure turbine to the condenser. The difference between live steam and exhaust steam results from the increased demand for bleed steam for feedwater pre-heating, since the flue gas heated condensate preheater by adding the Sauerstoffvorwärmers a lower warm-up period achieved.
Aus den Darlegungen kann allgemein geschlossen werden, dass eine Sauerstoffvorwärmung beim Oxyfuel-Prozess zu einer deutlichen Wirkungsgradsteigerung führt. Ein wichtiger Punkt ist zunächst, dass sich eine Erhöhung des Anteils der Brenngase an der primären Kesselwärmeleistung günstig auf den Brennstoffverbrauch und damit auf dem Anlagenwirkungsgrad auswirkt, d. h. Sauerstoffvorwärmung und möglichst hohe Temperaturen der rezirkulierten Rauchgase sind anzustreben.Out It can be generally concluded from the explanations that an oxygen preheating during Oxyfuel process leads to a significant increase in efficiency. One important point is first, that is an increase the proportion of fuel gases in the primary boiler heat output on favorable affects the fuel consumption and thus the plant efficiency, d. H. oxygen preheating and as possible High temperatures of the recirculated flue gases are desirable.
Des weiteren ist es bei Einsatz von dampfbetriebenen Speisewasservorwärmern wichtig, möglichst viel Anzapfdampf erst in den letzten Stufen der Niederdruckturbine abzuziehen, da dieser dann einerseits in den Hochdruckstufen noch ein Höchstmaß an mechanischer Leistung erzeugen kann, auf der anderen Seite aber auch die Kondensationswärme des Dampfes nicht im Kondensator abgegeben, sondern sinnvoll zur Spei sewasservorwärmung genutzt wird, d. h. möglichst geringe Kondensattemperatur bei Eintritt in Vorwärmsäule.Of more, it is important to use steam-fed feed water heaters, preferably a lot of tapping steam only in the last stages of the low-pressure turbine deduct, because this then on the one hand in the high pressure stages a maximum of mechanical Power can generate, on the other hand, but also the condensation heat of the Steam is not delivered in the condenser, but sensibly used to feed sewasservorwärmung is, d. H. preferably low condensate temperature when entering the preheating column.
Beide Zielstellungen werden durch Nutzung eines Sauerstoffvorwärmers in einem Oxyfuel-Prozess mit umfangreicher Abwärmenutzung (starke Rauchgasabkühlung) noch besser erfüllt und der Wirkungsgrad kann dadurch um bis zu 0,5 Prozentpunkte erhöht werden.Both goals are through use an oxygen preheater in an oxyfuel process with extensive waste heat recovery (strong flue gas cooling) even better met and the efficiency can be increased by up to 0.5 percentage points.
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- 22
- Kondensatorcapacitor
- 33
- Kondensatvorwärmercondensate
- 44
- NiederdruckvorwärmersäuleNiederdruckvorwärmersäule
- 55
- HochdruckvorwärmersäuleHochdruckvorwärmersäule
- 66
- BraunkohleBrown coal
- 77
- Sauerstoffoxygen
- 88th
- Rauchgasflue gas
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- 1010
- Turbineturbine
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